创新设计“水蒸气凝结”实验

余美贤 赖志标

Innovative Design of “Steam Condensation” Experiment

YU Meixian， LAI Zhibiao

（Zhongshan Xiaolan Guangyuan School， Zhongshan， Guangdong 528415）

中图分类号：G424                文献标识码：A                 DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2021.02.043

对于水蒸气凝结的实验，教材的要求是：将培养皿盖在盛有半杯水的烧杯上，把烧杯放在阳光下一段时间，观察实验现象（烧杯里的水缓慢变热，培养皿下方形成小水珠）;得出实验结论，水蒸气遇冷形成小水珠（如图1）。该实验的目的是让学生通过观察知道水能蒸发成水蒸气，水蒸气能凝结为水，但在教学实践中发现，教材上的探究活动，存在几个问题：该实验需要在室外阳光下进行，受外界环境（如天气、气温）影响，不能准确控制水、培养皿的温度;被阳光照射后的培养皿温度也会升高，所以该实验只能证明水蒸气形成小水珠，不能证明水蒸气是因为遇冷才形成小水珠;无法证明水蒸气遇热的情况下不能形成小水珠。

为此，我们制作了新教具——水蒸气凝结装置，并创新实验方法进行教学，取得了不错的教学效果。改进思路为：能在室内即可完成实验，不受外界环境影响;能直观快速地观察到水蒸气凝结現象;通过对比实验，知道水蒸气凝结的温度条件是遇冷。

实验材料

木板（厚度0.3 cm）、亚克力板（厚度0.3 cm）、胶水、镜子（长14 cm、宽12.5 cm、厚0.5 mm）、12 V烧水棒（2个）、1700 mL水，以及硬件Arduino Nano控制板、串口屏、铝基板热床（2个）、温度传感器、稳压电源、杜邦线、激光切割机和Arduino IDE软件等。

实验制作

1.制作无盖水槽

利用激光切割机、亚克力板、胶水制成一个长20 cm、宽10 cm、高20 cm的无盖水槽，并在水槽上方粘上长10 cm、宽1 cm的木条（隔离作用、减少实验中的热传递）。

2.固定铝基板热床

将两块铝基板热床通过螺丝固定在木条上，避免学生实验时因不小心触碰加热的铝基板热床被烫伤。在木条上涂色，红色表示下方的铝基板热床要加热、蓝色表示不加热（参见图2）。

3.制作底部收纳木盒

利用激光切割机、木板制成一个长27 cm、宽20 cm、高7 cm的木盒。

4.选取镜子的尺寸

根据光的反射定律，即反射角等于入射角，且通过实际实验，水的折射对本实验的效果几乎没有影响，故将镜子与水槽底部的夹角设置为45°。经过计算和多次实验，最后选取长14 cm、宽12.5 cm、厚0.5 mm的镜子，放入水槽中（如图2）。

5.确定水的体积

为了能在实验装置的正前方得到镜子反射出的较完整的图像，通过多次实验，将水的体积确定为1700 mL。

6.组装装置

将无盖水槽、收纳木盒、镜子、烧水棒、Arduino Nano控制板、串口屏、铝基板热床、温度传感器、稳压电源、杜邦线等材料组装完整（如图3）。

实验原理

实验选用两块相同的铝基板热床盖在装了水的水槽上，一块接上电源进行加热（通过Arduino IDE编程使温度恒定为70 ℃），另一块不接电源、不做改变。两块铝基板中间用导热性差的木条隔开，减少热传递。水槽中热水的温度通过Arduino IDE编程保持为60 ℃。一段时间后，未加热的铝基板热床下出现大量的水珠，而经过加热的铝基板热床下没有水珠，由此可证明：水蒸气在遇冷时才凝结，遇冷是水蒸气变成水的条件之一。

1.对比探究水蒸气形成水珠的条件

将两块相同的铝基板热床盖在装了水的水槽上，一块保持常温，另一块接上电源进行加热（中间用导热性差的木块隔开，减少热传递），同时盖在装有热水的水槽上一段时间（如图4）。

大约5分钟后，没有加热的铝基板下出现大量的水珠，而经过加热的铝基板下没有水珠（如图5）。学生很容易认识到遇冷是水蒸气凝结成水的条件之一。

2.精确温度，缩短实验时间

通过Arduino Nano编程和控制各电路元件，将铝基板热床的温度恒定为70 ℃，持续加热。热水的温度保持为60 ℃，考虑到控温元器件的精度，所以会有±2 ℃的差值，也就是58 ℃以下便要加热，62 ℃以上就停止加热。

铝基板热床与热水温度的设计依据：①水的体积：1700 mL;②3 mm亚克力板的短时间耐热温度为：96 ℃;③烧水棒加热时间;④铝基板下水珠分析。

通过表1中热水温度与不加热的铝基板热床下方水珠关系的数据，确定热水温度为60 ℃;分析表2铝基板热床的加热温度与其下方水珠有无关系，确定铝基板热床加热温度为70 ℃。

3.镜子反射，便于观察铝基板热床下的情况

由于铝基板热床是不透明的，且实验中水槽壁有小水珠，影响视线，不便于学生观察铝基板热床下方的实验现象。因此，在水里加入镜子，根据光的反射定律，且通过多次实验验证，水的折射对本实验的效果几乎没有影响，故将镜子与平面的夹角设置为45°。学生在装置前方可以清晰地观察到铝基板热床下的情形（如图6）。

实验优点

不受外界环境影响，只需要供电即可进行实验。缩短了实验时间，5分钟内即可观察到明显的实验现象，且实验结果对比差异明显。经过加热的铝基板热床下没有水珠，而没有加热的铝基板热床下出现大量的水珠，说明水蒸气是在遇冷时凝结，能使学生深刻理解遇冷是水蒸气凝结的条件之一，从而有效地攻克教学难点。在水里加入镜子，学生在装置前方可以清晰地观察到铝基板热床下方的情形。